专利名称：地铁隧道整体形变检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种隧道工程监测技术领域的系统，具体是一种地铁隧道整体形变检 测系统。
背景技术：
我国隧道管理与养护技术滞后，养护技术规范还需要完善，在长大隧道方面更需 要研究。国内虽在多座隧道中引进了成套隧道营运监控系统的技术，但效果不甚理想，主要 原因在于控制模式不切合实际，且在长大隧道方面还应用的较少。因此研究地铁隧道运营、 养护技术与智能管理系统显得极为重要、迫切。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种地铁隧道整体形变检测系统， 首次利用采用网络传感器技术和图像识别技术对运营地铁隧道形变进行在线式实时监测， 根据隧道变形数据分析隧道变形状况，及时预报隧道变形状况不良引起的灾害。本发明是通过以下技术方案实现的，该系统整体包括在隧道内壁上分布的多个测 站以及在隧道车站上设有的站级监测系统，各测站内的图像采集终端通过RS485总线连接 成网络并与站级监测系统中的监控电脑连接，实现将图像采集终端采集处理获得的相邻测 站坐标位移信息发至站级监测系统并由监控电脑统一汇总分析两车站间隧道变形状况；所述每个测站包括两个圆形光源作为标的物、两个摄像头、图像采集终端、稳压电 源，所述摄像头包括相互连接的可变焦长焦镜头和图像传感器，所述两个标的物设于箱体 两边侧面用以给相邻测站的摄像头提供圆形光源，所述两个摄像头也分别设于箱体两边侧 面用以拍摄相邻前后测站的标的物，摄像头的图像传感器与所述图像采集终端连接用于将 感光后采集的信号存储于图像采集终端上，所述稳压电源分别与标的物、图像采集终端连 接为其提供电源，所述图像采集终端将采集的信号处理，通过拟合圆形光源确定圆心作为 相邻测站与摄像头之间的相对坐标；所述测站内两个标的物的水平中心线重合，两个拍摄镜头的水平中心线也重合， 测站内各装置均固定于箱体上；所述图像采集终端主要包括处理器、外部硬盘和内存、时钟/电源模块、两路图像 传感器接口、IXD接口、RS232模块、RS485模块，所述处理器上设有存储控制器、时钟/电 源控制器、摄像头camera控制器、IXD控制器、通信串口 UART，其中所述camera控制器通 过两路图像传感器接口与两个图像传感器连接，用以采集目标物图像信息；所述通信串口 UART通过RS485模块与S485总线连接，用以将各个测站形成传感器网络，并将图像采集终 端处理完成的目标物坐标变动信息传至站级控制系统；所述处理器作为图像采集终端的主 芯片，完成数据处理以及为系统提供基本的运行环境，实现对采集圆形光源的拟合，确定圆 心与摄像头之间的相对坐标。同一侧站上装有两组镜头，镜头的中心线重合，该两个镜头进行前向和后向的测
3量，这样每个测站的位置均由两个镜头给出，由此消除镜头空间转角的影响。采用误差消减 技术手段，可以减少测量误差，提高隧道轴向整体形变监测系统精度。如果不消除镜头的 姿态误差，不仅降低了每个测站的位置精度，而且通过误差传播，将大大提高整体的测量误 差。本发明可以有效检测隧道的整体形变量，据此分析得到隧道的沉降情况，及时提供预警 信号，保持隧道营运安全。
图1为本发明整体架构示意2为每个测站内各设备的位置关系示意3为每个测站内各模块功能模块框4为相邻测站检测位移变动的原理示意5为圆形光源示意6为相邻测站采集目标物示意7为圆形光源中心坐标比较示意8为建立的模型9为YZ平面局部模型放大10为XY平面局部模型放大11为测站内布置图标记说明1_图像传感器 2-可变焦镜头 3-图像采集终端 4-标的物 5-稳压电源，6-箱体，61-箱体边侧面
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，本发明整体包括在隧道内壁上分布的多个测站以及在隧道车站上设 有的站级监测系统，各测站内的图像采集终端通过RS485总线连接成网络并与站级监测系 统中的监控电脑连接，实现将图像采集终端采集处理获得的相邻测站坐标位移变化信息发 至站级监测系统并由监控电脑统一汇总分析两车站间隧道变形状况。每个测站如图2所示包括两个圆形光源作为标的物4、两个摄像头、图像采集终 端3、稳压电源5，所述摄像头包括相互连接的可变焦长焦镜头2和作为感光器件CCD的图 像传感器1，所述两个标的物4设于箱体6两边侧面61用以给相邻测站的摄像头提供圆形 光源，所述两个摄像头也分别设于箱体6两边侧面61用以拍摄相邻前后测站的标的物，摄 像头的图像传感器1与所述图像采集终端3连接用于将感光后采集的信号存储于图像采集 终端3上，所述稳压电源5分别与标的物4、图像采集终端3连接为其提供电源，所述图像采 集终端3将采集的信号处理，通过拟合圆形光源确定圆心作为相邻测站的与摄像头之间的 相对坐标。各测站相对于摄像头的相对坐标统一汇总至所述站级监测系统的监控电脑，由 监控电脑通过对坐标变换及相应的误差补偿得到每个测站对应圆心的绝对坐标，再比较前 后两次圆心绝对坐标的变化得到对应测站位移变化。各测站沿隧道的轴线方向安装在隧道内壁上，原初安装时各测站处于同一水平面 上，每个测站设于一个箱体内，整个箱体通过膨胀螺丝固定在隧道侧壁上。测站内两个标的
4物的水平中心线尽量重合，两个拍摄镜头的水平中心线也应该尽量重合，测站内各装置均 固定于箱体上，如图2所示。如图3所示，所述图像采集终端3主要包括处理器、外部硬盘和内存、时钟/电源 模块、两路图像传感器接口(即摄像头接口)、IXD接口、RS232模块、RS485模块，所述处 理器上设有存储控制器、时钟/电源控制器、摄像头camera控制器、LCD控制器、通信串口 UART，其中所述camera控制器通过两路图像传感器接口与两个图像传感器1连接，用以采 集目标物图像信息；所述通信串口 UART通过RS485模块与RS485总线连接，用以将各个测 站形成传感器网络，并将图像采集终端处理的目标物坐标变动信息传至站级控制系统；所 述处理器作为图像采集终端的主芯片，完成数据处理以及为系统提供基本的运行环境，实 现对采集圆形光源的拟合，确定圆心，比较先后次圆心坐标的变动。电源/时钟模块为图像 采集终端提供基本的运行环境。以下硬件皆为现有技术标的物圆形光源LED光源两路图像传感器分别用来获得箱体前后的圆形光源图像，选用OmniVison公司的 0v9650，共两片；可变焦镜头采用福州启光电子技术有限公司生产的FS-LV05100型变焦镜 头，焦距范围是5-100mm。ARM处理器选用SAMSUNG公司的S3c2440。Nand Flash 为外部硬盘闪存SAMSUNG 公司的 K9S1208V0C，64M 大小；NOR FLASH 为外部硬盘闪存AMD 公司的 AM29LV160DB-90IE，2M 大小；内存SDRAM型号Hynix公司的HY57V561620，采用两片32M的芯片，共64M。Rs232模块采用SIPEX公司的SP3232EEN芯片，提供调试接口，用作前期的程序调 试开发。Rs485模块采用MAXIM公司的max3485芯片实现，RS485模块用来组建多节点通信 网络。IXD接口通过外接IXD显示屏，实现触摸式的人机界面。所述IXD显示屏选用深圳 市弗森电子有限公司的三洋7寸显示屏。LCD上的人机界面用来完成调试的前期工作，提供 视频显示、图像存储以及设置节点地址等功能，通过观察视频，调节镜头使圆形光源在观测 区域内，并适当的调节焦距以及光圈大小得到最佳的圆形光源图像质量。整个发明的工作原理为利用可变焦长焦镜头和图像传感器拍摄相邻测站的标的 物，通过图像采集终端对采集图像进行处理，通过检测标的物的移动来得到隧道的沉降情 况。具体为各个测站中的图像采集终端作为主控模块沿隧道的轴线方向分布用以检测前 后相邻测站中的光源中心位置作为所在测站的相对坐标(即圆形光源相对于摄像头的相 对坐标)。例如图4所示的例子，通过IXD上的人机界面，适当地调节图像采集终端“2”的 镜头使图像采集终端“1”和图像采集终端“3”的光源图像处于其前后两镜头的视野中心 处。图像采集终端“2”所在测站中的两个图像传感器交替获取图像采集终端“1”和图像采 集终端“3”的发出的光源图像，该图像信息由图像采集终端“2”处理器拟合出目标光源的 圆心位置。每隔一定时间进行拍摄，分别计算出图像采集终端“ 1，，和图像采集终端“3”所 在测站的光源圆心相对上次的偏移量。由于各测站与隧道内壁是刚性连接的，因此可以从 光源的圆心位置变动推断出隧道内壁发生的形变。
工程安装过程中，间隔一定的距离将测站固定在隧道内壁上。距离一般为20m左 右，实际距离可以根据实际情况做调节。例如在弯道处隧道出现变形量较大，可以将测站布 置密一点，如10-12米。在笔直的隧道上测站之间的距离可以相对较远，如25-30米。各测 站的安装位置大体位于同一水平面上。每个测站均安装有两组标的物、两组长焦镜头及图 像传感器和图像采集终端，如图2所示。每个测站均拍摄与之相邻的两个测站的标的物。每 一个测站所检测的目标是相邻测站相对边侧的圆形光源，如图5所示，图6所示该光源由相 邻测站中的LED发出，与图像传感器1连接的镜头2都对准约30 50m处测站上的目标光 源4，并使其成像于镜头2的中部，每隔一定时间进行拍摄，得到相邻测站目标光源的图像 数据。从图6中可以看到，图像经过镜头2成像到图像传感器1的光敏面上，图像采集终端 完成图像数据的采集、存储、计算比较获得目标光源的圆心位置变化，然后将该信息传输至 站监测系统。从图7中可以看出，目标光源的拟合中心位置在X、Y方向发生了位移，由于图 像传感器与隧道内壁是刚性连接的，因此可以从检测目标的圆心位置变动推断出隧道内壁 发生了形变。车站内所有测站将相邻测站位移信息通过RS485总线形成网络并同时汇总到 车站内的监测系统，据此分析得到隧道的沉降情况。同一侧站上装有两组镜头，镜头的中心线重合，该两个镜头进行前向和后向的测 量，这样每个测站的位置均由两个镜头给出，由此消除镜头空间转角的影响。采用本发明误 差消减技术手段，可以减少测量误差，提高隧道轴向整体形变监测系统精度。如果不消除镜 头的姿态误差，不仅降低了每个测站的位置精度，而且通过误差传播，将大大提高整体的测
量误差。由于测站自身存在漂移误差，对每一个测站而言，自身存在一个中误；另外，CCD 镜头在安装过程中存在微小的空间转角，客观上并不能保证所有的镜头在同一直线上。隧 道变形监测采用分布式网络智能图像传感器进行相邻位移检测，通过定位基准的传递，获 得每个测站的绝对位移量。通过车站监测系统对各测站位移大小及变化趋势的分析，进行 隧道变形状态的预警。隧道变形监测总体架构如图1。误差传播分析主要关注于隧道纵轴线沿横断面的形变。其工作原理为在相邻两 个车站之间分别设有两个基准站。其间的每个测站上设有圆形光源、拍摄镜头以及图像采 集终端。通过监测光源圆心坐标的变化来确定隧道的形变。增加传感器网络数量可以拟合 出隧道纵轴线沿横断面的位移。就每一个测站而言，其上布有一图像采集终端、一 LED光源以及图像采集的CCD镜 头。为了尽量消除拍摄镜头姿态对采集数据的影响，每一个测站上布有两个镜头，一个镜头 用于拍摄后一测站的光源，另一个镜头拍摄前一测站的光源。其布局图如图11所示。消除 误差的方法将在下文中做详细的阐述。由于除了两个基准点(设在相邻两个车站间)以外，中间测点的坐标均为相对坐 标，在转化为绝对坐标的时候存在误差传播问题，当某一点绝对坐标的中误差超过隧道的 形变量的时候，后面点的测量数据将失去意义。这就凸显出进行误差传播分析的重要性，通 过对误差传播的分析，可以为镜头的选型，算法的改进等提供理论依据。误差分析模型的建立由于测站自身存在漂移误差以及图像在提取过程中存在算法误差，对每一个测站 而言，自身存在一个中误差，设为m。考虑到CCD镜头在安装过程中存在微小的空间转角，并不能所有的镜头在同一直线上。但可以保证同一测站上两个镜头在同一直线上。利用同一 测站上的两个镜头进行前向和后向的重复测量，可以消除空间转角的影响。将空间转角投 影到竖直方向YZ平面和水平方向XY平面，可建立如下数学模型。假设各个测点之间的距 离相等，不考虑沿隧道轴线的纵向Y的偏移。(因为镜头在隧道轴线方向上的微小变化对镜 头的数据采集影响很小)根据几何常识，空间角投影到YZ平面和XY平面的计算思路是相同的，下面以YZ 平面为例进行建模，XY平面内的计算可以参照此模型进行计算。根据系统的实际情况，建 立模型图如图8 (取前五个点，后面的点由相应的递推公式得到)。根据假设，有I1 = I2 =...... = In= Io Zm表示该点的绝对坐标，Zij中i表示
镜头所在点位，j表示测量点位。计算如下Z1 = Z01 (1)“
tan6>, = Z()I+Z|" (2)
M -Zn
tan=^i- (3)
Ol
y2 = I2-Yi (4)
ζ ‘ 2 = -y2 X tan θ χ = - (I2-Y1) tan θ
_ /
Zo Z ι
-97 10z12_z2_Ζ( +Ζ10_Ζ()+2Ζι一 Z21 + ζ:
(5)
(6)
J12
，丄，3(7)
=I3 tan θ = -(ζ21+ζ2-ζ01)ζ' 3 = I3 tan θ 2 = -(ζ21+ζ2_ζ01)(8)Z3 = Ζ21+Ζ23-Ζ1+2Ζ2(9)以此类推。。。。。。ζη = ζη1,η+ζη_1,η_2-ζη_2+2ζη_1(10)由以上的递推公式可以得到Zn的计算公式zn = [zn_ljn+zn_ljn_2+2zn_2jn_3+2zn_2jn_4(11)+......+ (n-1) Z10+ (n-1) z12] - (n_l) Z^nZl采用一个测点前后采集数据并考虑安装等外部影响会产生误差传播和累积，由误 差传播定律计算可得第η个点的中误差为m，=±Jm_ 2+m,2+...+(n-1)2m7 2+{n-\fm 2+η2τη 2 (12)对于每一个测点的相对中误差，可以采用多次测量确定。方法为将光源固定，并
用一相机重复测量多组数据。如X1，X2，X3，...........Xn0计算其中误差m，并进行粗差判
别(采用2σ准则)和剔除，得到最终中误差。将πιΦ作为本测量系统的误差。在系统相对稳定的情况下，以上方法测得的中误差的数值近似相等，为了研究方 便，我们都取为mYZ，于是上式变为mz+ ... + {n-\)2]mYZ2 +H2Myz2 (13)
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mz 严 (14)对于XY平面来说，其模型与YZ平面大体一致，如图9、图IOXY平面局部模型放大 图· 根据YZ平面的模型分析，在各个测点中误差相同的情况下(实际情况测点的镜头 型号一样，中误差是基本相等的)，设为mXY，XY平面误差传播公式为mx = ^/2[12 +... + (n -1)2Jm^y2 +n'm^2 (15)mx" =(16)最终考虑镜头姿态情况下总的中误差为mA=j^^^mXY2+myz2 (17)当mXY = mYZ的情况下(实际情况测点的镜头型号一样，两个平面中误差是基本相 等的)，设为m，则式(17)变为m& =^J4"3+2nm (18)采用此方法，可以消除由于拍摄镜头安装时姿态产生的测量误差。由此减少测量 误差，提高隧道整体形变监测系统的精度。隧道整体形变监测系统可以有效检测隧道的整 体形变量，据此分析得到隧道的沉降情况，及时提供预警信号，保持隧道营运安全。
权利要求
一种地铁隧道整体形变检测系统，其特征在于，该系统整体包括在隧道内壁上分布的多个测站以及在隧道车站上设有的站级监测系统，各测站内的图像采集终端通过RS485总线连接成网络并与站级监测系统中的监控电脑连接，实现将图像采集终端采集处理获得的相邻测站坐标位移信息发至站级监测系统并由监控电脑统一汇总分析两车站间隧道变形状况；所述每个测站包括两个圆形光源作为标的物、两个摄像头、图像采集终端、稳压电源，所述摄像头包括相互连接的可变焦长焦镜头和图像传感器，所述两个标的物设于箱体两边侧面用以给相邻测站的摄像头提供圆形光源，所述两个摄像头也分别设于箱体两边侧面用以拍摄相邻前后测站的标的物，摄像头的图像传感器与所述图像采集终端连接用于将感光后采集的图像存储于图像采集终端上，所述稳压电源分别与标的物、图像采集终端连接为其提供电源，所述图像采集终端将采集的信号处理，通过拟合圆形光源确定圆心作为相邻测站与摄像头之间的相对坐标；所述测站内两个标的物的水平中心线重合，两个拍摄镜头的水平中心线也重合，测站内各装置均固定于箱体上；所述图像采集终端主要包括处理器、外部硬盘和内存、时钟/电源模块、两路图像传感器接口、LCD接口、RS232模块、RS485模块，所述处理器上设有存储控制器、时钟/电源控制器、摄像头camera控制器、LCD控制器、通信串口UART，其中所述camera控制器通过两路图像传感器接口与两个图像传感器连接，用以采集目标物图像信息；所述通信串口UART通过RS485模块与S485总线连接，用以将各个测站形成传感器网络，并将图像采集终端处理完成的目标物坐标变动信息传至站级控制系统；所述处理器作为图像采集终端的主芯片，完成数据处理以及为系统提供基本的运行环境，实现对采集圆形光源的拟合，确定圆心与摄像头之间的相对坐标。
全文摘要
一种地铁隧道整体形变检测系统，隧道工程监测技术领域。该系统整体包括在隧道内壁上分布的多个测站以及在隧道车站上设有的站级监测系统，各测站内的图像采集终端通过RS485总线连接成网络并与站级监测系统中的监控电脑连接，实现将图像采集终端采集处理获得的相邻测站坐标位移变化信息发至站级监测系统并由监控电脑统一汇总分析两车站间隧道变形状况。本发明首次利用采用网络传感器技术和图像识别技术对运营地铁隧道形变进行在线式实时监测，根据隧道变形数据分析隧道变形状况，及时预报隧道变形状况不良引起的灾害。
文档编号G01B11/16GK101936714SQ20101025398
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月16日 优先权日2010年8月16日
发明者吕强, 张恒, 杨伟清, 毕湘利, 王权 申请人:上海地铁盾构设备工程有限公司;上海申通轨道交通研究咨询有限公司